· управление передачей данных (функция контроллера);
· согласование источника информации (выполняется устройством-источником или контроллером);
· согласование приемника информации (выполняется устройством-приемником или контроллером).
Функции контроллера может выполнять не только одно, но и несколько устройств в системе.
Основные функции интерфейса, которые необходимо реализовать для обеспечения информационной совместимости, определяются функциональной организацией интерфейса. На канал управления возложены функции селекции информационного канала, синхронизации обмена информацией, координации взаимодействия, а на информационный' канал возлагаются функции буферного хранения информации, преобразования формы представления информации и др.
Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает однозначность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы.
Анализ возможных вариантов реализации способов селекции устройств на информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селекции: инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация запроса.
Инициирование запроса включает в себя процедуры выдачи, хранения и восприятия запроса на организацию процесса взаимодействия. Сигналы запроса могут храниться в регистре управляющего блока (радиальная структура шины запроса) или на отдельных триггерах каждого интерфейсного блока (магистральная структура шины запроса).
Функция выделения приоритетного запроса осуществляется на основе анализа сигналов занятости информационного канала, разрешения приоритетного прерывания, запроса источника сообщения и зависит от числа уровней приоритета.
Идентификация запроса заключается в определении адреса приоритетного источника запроса. В машинных интерфейсах получаемая при запросе адресная информация называется вектором прерывания. Последний обозначает начальный адрес программы обслуживания прерывания от данного устройства.
Функция синхронизации определяет временное согласование процессов взаимодействия между функциональными устройствами системы.
Функция координации определяет совокупность процедур по организации и контролю процессов взаимодействия устройств системы. Основными операциями координации являются настройка на взаимодействие, контроль взаимодействия, передача функций управления (настройки) .
В момент обращения одного устройства к вызываемому последнее может находиться в состоянии взаимодействия или в нерабочем состоянии. Поэтому процессы взаимодействия элементов системы могут иметь два уровня конфликтных ситуаций при доступе: к информационному каналу интерфейса и к устройству системы. Таким образом, операция настройки включает процедуры опроса и анализа состояния вызываемого устройства, а также передачи команд и приема информации состояния. Последовательность операций настройки может быть различной и зависит от сложности алгоритмов работы функциональных устройств системы. В большинстве случаев алгоритмы настройки дополняются программным способом посредством передачи кодов команд и состояний по информационной шине.
Операции контроля направлены на обеспечение надежности функционирования интерфейса и достоверности передаваемых данных. В процессах асинхронного взаимодействия возможно возникновение так называемых тупиковых ситуаций, приводящих к искажениям кодовых комбинаций передаваемых данных. Поэтому в операции контроля входят разрешение тупиковых ситуаций асинхронного процесса взаимодействия и повышение достоверности передаваемых данных. Контроль тупиковых ситуаций взаимодействия основывается на измерении фиксированного интервала времени, в течение которого должно поступать ожидаемое асинхронное событие. Если за контролируемый интервал времени событие не поступает, то фиксируется неисправность. Операция контроля тупиковых ситуаций получила название "тайм-аут".
Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов, построенных на известных принципах избыточного кодирования информации (циклические коды, код Хеминга, контроль кодов на четность и др.).
В целях повышения надежности управления и эффективности использования составных элементов системы необходима передача функции координации между функциональными устройствами. Эта операция передачи управления характерна для интерфейсов с децентрализованной структурой управления.
Повышение надежности достигается резервированием управления (при отключении питания или отказе интерфейсного модуля, выполняющего функции управления интерфейсом).
Повышение эффективности использования оборудования системы достигается исключением дублирования дорогостоящих устройств путем доступа к ним с разделением времени двух и более контроллеров и ЭВМ.
Информационный канал интерфейса предназначен для реализации функции обмена и преобразования информации.
Основными процедурами функции обмена является прием и выдача информации (данных, состояния, команд, адресов) регистрами составных устройств системы. Основные процедуры функции преобразования следующие: преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот; перекодирование информации; дешифрация команд, адресов; логические действия над содержимым регистра состояния.
Приборные интерфейсы
Проектирование ИИС выполняется на основе модульного принципа построения, что привело к необходимости разработки правил, регламентирующих основные требования к совместимости этих блоков. Данный принцип впервые был применен в области ядерно-химических измерений, где требуется сложная аппаратура с высокой степенью автоматизации и активным использованием ЭВМ для контроля, управления, сбора и первичной обработки данных. Поэтому именно в этой области впервые проведена стандартизация на правила сопряжения блоков.
В США для модулей (блоков) ядерной электроники с транзисторными схемами в 1966 г. был принят стандарт NIM (Nuclear Instrument Module). В нем установлены механические и электрические требования к блокам. Этот стандарт впоследствии получил распространение в странах Западной Европы. Указанный стандарт позволил осуществить обмен данными модульных блоков с ЭВМ. Следует отметить, что такие понятия, как канал передачи данных и интерфейс, процесс обмена данными и др., были перенесены из вычислительной в измерительную технику.
Реализация принципов программного управления работой ИИС привела к развитию приборных систем; разработки интерфейсов для них появились на рубеже 60 - 70-х годов. Приборные интерфейсы служат для компоновки различных комплексов из стандартных измерительных приборов, устройств ввода-вывода и управляющих устройств.
Пример, фирма "Philips" разработала систему сопряжения Partyline - System, предназначенную для объединения в ИИС до 15 приборов. С помощью стандартного кабеля приборы последовательно соединяются друг с другом (в произвольном порядке) и с ЭВМ. Для этого в каждом приборе имеются два разъема, соединенные между собой одноименными контактами. Каждый прибор содержит специальное устройство согласования измерительного оборудования с интерфейсом.
Построение интерфейса осуществляется по магистральному принципу для передачи цифровых сигналов. Информация передается по шести шинам: адресной (4 линии), измерительной (5 линий), управления (4 линии), а также по шинам синхронизации, диагностики операций и передачи команд печати (все по одной линии). Стандартный кабель содержит шесть соединительных линий. Каждому прибору (измерительному блоку) присваивается свой адрес, представленный четырьмя разрядами двоичного кода. Передача данных производится в параллельно-последовательном виде (в двоичном коде). Под действием управляющих сигналов выходная информация последовательно передается с декад на линии интерфейса (измерительную шину). По этим же линиям передается кодированная информация, а также полярность измеряемых величин, режим работы и др.
Принцип работы приборного интерфейса следующий. При появлении информации от источника к приемнику работа обоих приборов координируется сигналами по линиям шины синхронизации. При этом цикл передачи информации состоит из четырех фаз:
· источник выставляет информационный байт;
· источник выставляет сигналы на шине синхронизации;
· приемник принимает информацию,
· приемник подготавливается к приему нового байта информации.
Приборный интерфейс имеет следующие ограничения: число приборов не более 15, максимальная допустимая длина кабеля связи — 20 м, максимальная скорость передачи по магистрали - 1 Мбайт/с.
Логические уровни сигналов выбраны из расчета применения интегральных схем ТТЛ (высокий уровень — не менее 2,4 В, низкий — не более 0,8 В). Нагрузкой каждой сигнальной линии является внутреннее сопротивление каждого прибора не более 3 кОм, подключенное к шине + 5 В, и резистор 6,2 кОм, подключенный к шине "земля" схемы. Кодирование информации, как следует из конструкции магистрали, ведется по байтам. Схемы интерфейса программно-управляемых приборов выполняются в двух вариантах:
в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора как его составная часть, с установкой стандартного разъема на задней панели прибора; этот вариант применяется преимущественно в новых приборах, выпускаемых по стандарту МЭК;
в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей, подключаемых к серийно выпускаемым или находящимся в обращении цифровым приборам и устройствам; эти модули по существу являются адаптерами, т. е. переходными устройствами между выходом прибора и стандартным входом в магистраль приборного интерфейса.
Приборный интерфейс широко применяется как в отечественной промышленности, так и зарубежными фирмами при построении ИИС для автоматизации эксперимента. Из имеющихся непрограммируемых приборов, не подготовленных для совместной работы, приборный интерфейс позволяет создавать ИС путем использования относительно несложных устройств сопряжения — интерфейсных плат и микроЭВМ в качестве контроллера системы.